Принцип работы температурного реле. Как подобрать тепловое реле или правильная защита электродвигателя от перегрузки

Тепловое реле - это электронный аппарат, созданный для того, чтобы защищать электродвигатели от токовых перегрузок. Есть несколько наиболее распространенных типов реле термических: ТРН, РТТ, ТРП, РТЛ. Перегрузки очень сильно влияют на долговечность электроэнергетического оборудования. Для любого объекта есть зависимость величины тока от продолжительности его протекания. Эта зависимость характеризует надежность и время эксплуатации того или иного оборудования. Если протекает ток, который больше, чем номинальный, то это создает дополнительное старение изоляции вследствие увеличения температуры.

Тепловое реле с биметаллической пластиной

Пластинка такого термического реле состоит из двух пластов. Один имеет большую температуру нагревания (большой температурный коэффициент), другой - меньшую. Эти две части скреплены друг с другом в местах прилегания за счет сварки или же за счет проката в раскаленном состоянии. Тепловое реле базируется именно на работе этой пластины. Если она разогревается, то происходит ее изгиб в сторону материала с самым маленьким коэффициентом температурного расширения. Наиболее распространена хромоникелевая сталь либо немагнитная. Биметаллическая пластина у такого прибора, как реле тепловое, нагревается за счет того, что под воздействием тока нагрузки выделяется тепло в пластинке. Часто для усиления нагрева изготавливают специальный дополнительный нагреватель. Такой процесс называется комбинированным нагревом. Пластинка греется и с помощью нагревателя, обтекаемого током нагрузки, и за счет тепла от тока, проходящего через биметалл. Прогибаясь под действием тепла, пластинка свободным концом влияет на контакты реле и размыкает его.

Тепловое реле и его основные свойства

Как уже было сказано выше, основная черта реле - зависимость времени его срабатывания от токов нагрузки (времятоковая характеристика). При проверке этих значений следует учитывать то, из какого именно состояния будет срабатывать реле: из прохладного или из перегретого. При выборе всех этих параметров нужно четко представлять то, какие функции будет выполнять то или иное защитное устройство.

Тепловое реле и параметры его выбора

Выбирают этот агрегат, исходя из номинальных значений тока, нагрузки и напряжения. Также необходимо учесть времятоковую характеристику. Нагрев пластины находится в непосредственной зависимости и от температуры окружающей среды, поэтому, если температура сильно отличается от номинальной, необходимо или подбирать другой нагревательный элемент, или проводить плавную дополнительную регулировку реле. Прогиб самой пластины - обычно медленный процесс. Поэтому пластинка воздействует на контактную систему через специальное ускоряющее устройство. Тепловое реле РТЛ, предназначенное для защиты непосредственно электродвигателей и генераторов, может обеспечивать защиту от несимметричных составляющих тока и от выпадения фазы. Электротепловые и термические РТЛ могут быть установлены как вместе с пускателями, так и отдельно.

Для того, что бы защитить электродвигатель от токов высокой нагрузки в дополнение к защитному автомату необходимо поставить тепловое реле. Принцип работы теплового реле до безобразия прост. В тот момент, когда на электродвигателе возникает нагрузка сверх нормы, тепловое реле отсекает питание от катушки магнитного пускателя.

Отсекание фазы на катушку происходит за счёт нагрева биметаллических пластин, которые расходятся при высокой нагрузке. Завод изготовитель рассчитывает расширение пластин, которые нагреваются при прохождении через них тока сверх допустимой нормы.

Говоря проще, когда возникла нагрузка, биметаллические пластины расширились, и оборвали питание магнитного пускателя. Тепловое реле необходимо выбирать исходя из мощности электродвигателя. Для более точной настройки, все тепловые реле имеют настраиваемый диапазон, который можно выставить вплоть до одного ампера.

Тепловое реле подключается между магнитным пускателем и электродвигателем. В некоторых моделях через тепловое реле проходят все три фазы, но в основном через теплушку пропускается две фазы, а третья идет напрямую от магнитного пускателя.

С силовыми концами идущими на электродвигатель, мы разобрались, теперь давайте рассмотрим, как сделать что бы при высокой нагрузке, магнитный пускатель отсекал питание на электродвигатель.

Для того чтобы подключить тепловое реле, вам необходимо прочитать статью подключение магнитного пускателя . Если вы это уже знаете, то идем дальше. Как вы помните, фаза идущая на стоповую кнопку берется с верхних контактов пускателя.

Фазу идущую на кнопки необходимо пропустить через специальные контакты на тепловом реле. Принцип прост, фаза зашла – фаза вышла. Если на электродвигателе возникла нагрузка пластины между этими контактами разомкнуться и пускатель отключиться. Местоположение контактов на реле вы найдете сами, Всего там идёт пять зажимных контактов, три силовые и два на управление. Как видите всё просто и без лишней болтовни.

Для того чтобы правильно выбрать тепловое реле необходимо взглянуть на мощность электродвигателя и на его номинальные характеристики тока, которые указаны на табличке электродвигателя. Бывает такое, что табличка отсутствует, тогда берите клещи и замеряйте токи на каждой фазе желательно при нагрузке. Если электродвигатель не горячий смело ориентируйтесь на показания прибора. Допустим, у вас показало 16 ампер, прибавляйте 20% процентов на пусковые токи и выбирайте тепловое реле, где можно выставить 20 ампер и смело его подключайте.

При срабатывании на тепловом реле выскакивает кнопочка, которую потом можно включить. Если срабатывание начинает происходить часто, а нагрузка на ваш взгляд не повышается то вполне возможно, что у вас межвитковое замыкание , о котором вы тоже можете прочитать на нашем сайте про электричество.

Тепловые реле - это электрические устройства, основным назначением которых является защита двигателя от избыточной нагрузки и, как следствие, перегрузки системы в целом. На сегодняшний день наиболее распространенными являются следующие типы тепловых реле: ТРН, РТИ, РТТ и РТЛ. Необходимость применения тепловых реле обусловлена тем, что долговечность любого оборудования напрямую зависит от того, как часто оно бывает перегружено. Так, при регулярном превышении номинального напряжения происходит нагрев оборудования, что приводит к старению изоляции и, как следствие снижает эксплуатационный срок установок.

Схемы подключения электродвигателей, в которые включено тепловое реле, могут существенно отличаться между собой, в зависимости от технической необходимости и наличия различных устройств. Тем не менее, в каждой из схем тепловое реле обязательно должно подключаться последовательно с катушкой пускателя. Это обеспечивает надежную защиту от перегрузок оборудования. Так, при превышении определенного уровня потребляемого двигателем тока тепловое реле размыкает цепь, тем самым отключая магнитный пускатель и сам двигатель от источника электропитания.

Принцип работы теплового реле

На сегодняшний день наибольшую популярность приобрели тепловые реле, чье действие основано на использовании свойств биметаллических пластин. Для изготовления биметаллических пластин в таких реле используют, как правило, инвар и хромоникелевую сталь. Сами пластины между собой крепко соединяются посредством сварки или же проката. Поскольку одна из пластин обладает большим коэффициентом расширения при нагревании, а другая меньшим, то в случае воздействия на них высокой температуры (например, при прохождении тока через металл), происходит изгиб пластины в ту сторону, где располагается материал с меньшим коэффициентом расширения.

Таким образом, при определенном уровне нагревания биметаллическая пластина прогибается и оказывает воздействие на систему контактов реле, что приводит к его срабатыванию и размыканию электрической цепи. Также необходимо отметить, что в результате низкой скорости процесса прогиба пластины она не может эффективно гасить дугу, которая возникает в случае размыкания электрической цепи. Для того чтобы решить данную проблему, необходимо ускорить воздействие пластины на контакт. Именно поэтому на большинстве современных реле предусмотрены также ускоряющие устройства, которые позволяют эффективно разорвать цепь в минимальные сроки.

Виды тепловых реле (РТТ, РТЛ, ТРН, РТИ)

Тепловые реле РТТ применяются в тех случаях, когда требуется обеспечить эффективную защиту трехфазных асинхронных двигателей от перегрузок, длительность которых превышает допустимую (которые могут возникнуть, например, при выпадении одной из фаз). Как правило, они являются комплектующими частями в управляющих схемах электроприводов и в магнитных пускателях.

Тепловые реле РТЛ используются в тех случаях, когда требуется защитить от перегрузок по продолжительности, а также о несимметричности тока, например, при выпадении одной из фаз. Этот тип реле может устанавливаться как на пускателях, так и отдельно, при наличии клеммников.

Двухфазное тепловое реле ТРН используется, как правило, на магнитных пускателях в асинхронных двигателях. Его особенностью является возможность использования в сетях постоянного тока.

Тепловое реле РТИ выполняет те же функции, что и описанные выше, а также обеспечивает защиту от затянутого пуска. Данный тип реле обладает собственным потреблением энергии, поэтому дополнительно при его использовании рекомендуется устанавливать предохранители.

Тепловое реле – устройство, замыкающее-размыкающее цепь под влиянием сигналов агрегатов, работающих от изменения температуры среды. Нагрев проводников электричеством замечали исследователи, количественное описание дает закон Джоуля-Ленца. Благодаря знанию зависимости, биметаллические конструкции применяют, контролируя ток, температуру.

Тепловое реле

Кратко о тепловых реле

Тепловые реле холодильников совмещают с пускозащитными. Применяются многими двигателями. Отличие защитных в электромагнитной конструкции, где катушка может мгновенно отработать резкое повышение тока. Тепловые работают с интегрированием эффекта некоторым отрезком времени. Медная обмотка иногда перегревается. В мясорубках случается, когда заклинивает вал. Ток повышает лимитирующую величину. Чтобы избежать опасности, изготовитель включает в механическую передачу пластиковые шестерни, ломающиеся, спасающие ситуацию. Конечно, лучше применять тепловые реле.

Принцип действия основан на свойствах биметаллических пластин. Двухслойные материалы, составленные парой металлов с неодинаковым коэффициентом линейного расширения. В результате при изменении температуры биметаллическая пластина гнется. Контакты используются повсеместно, начиная электрическими утюгами, заканчивая чайниками! Измерение тока происходит преимущественно в тепловых реле. В остальных случаях нагрев вызывается изменением температуры прибора: пара, ТЭНа.

В тепловых реле принцип используется, вариантом (см. патент US292586 A), но распространен больше другой – с защитой по току. В последнем случае используется упомянутый закон Джоуля-Ленца. С течением времени тепловой эффект накапливается, при соблюдении условий реле срабатывает. Обрыв цепи блокирует дальнейший рост температуры. Условия срабатывания реле тесно связаны с конструкцией двигателя.

Любому типу компрессора холодильника подобрана пара, работающая безотказно. Не соблюдая целостности тандема компрессор-двигатель, можно вызвать неисправности.

Для трёхфазных цепей используются двух- или трехполюсные тепловые реле. Включаются меж двумя линиями (нейтраль короткозамкнутая), в нормальном режиме ток здесь мал. При большой мощности вместо непосредственного присоединения к цепи используются трансформаторы тока. Эффект получается аналогичный: при обрыве фазы равновесие нарушается, нагрузка теплового реле увеличивается. В результате происходит разогрев биметаллической пластины, цепь обрывается. Двигатель спасается от перегрева, других негативных последствий.

Тепловое реле не защищает против короткого замыкания, само нуждается в охране от подобной ситуации. В противном случае цепь легко сгорает.

История создания тепловых реле

Идея регулировки температуры возникла в XVII веке. Английский изобретатель Корнелиус Дреббель применил в двух изобретениях: печь, инкубатор для цыплят. Конструкции требовали ответственного подхода. Дреббель сумел реализовать концепцию, используя ртуть. Любопытный факт: на момент начала третьего десятилетия термометров, не существовало. Работающих на ртути. Историки склонны изобретение термометра приписывать Корнелиусу Дреббелю. Касательно печей новшество заключалось в следующем:

• Топка снабжалась воздухом через сопло, снабжаемое регулируемой заслонкой.
• В зависимости от конструкции сооружение оборудовалось подобием реторты, дно которой размещалось в пепле, либо углях.
• Изменяющийся уровень ртути позволял осуществлять поддержание температуры на заданном уровне путем регулирования объема подаваемого воздуха.

Аналогичного рода конструкция предложена инженерами компании Вестингауз Электрик в 1917 году (патент US1477455 A). Уровень ртути позволял замкнуть-размокнуть цепь в зависимости от изменяющейся температуры. Еще раньше для контроля параметров среды стали применять свойства биметаллических пластин. Патент Вестингауз Электрик принят только 11 декабря 1923 года, шведско-швейцарская компания ABB занималась выпуском тепловых реле для защиты работающих двигателей с 1920 года. Термостаты для инкубатора, печи под авторства Дреббеля рассмотрены комиссией организованного в 1660 году Королевского общества (Англии). И примерно через 40 лет после создания нашли признание ученого совета.

Свойства биметаллических пластин известны с 1726 года. Точнее говоря, к этой дате приурочено первое их официальное применение. Джон Харрисон, плотник по профессии, кое-что знал о металлах. Нашел оригинальный способ подарить маятниковым часам независимость от температуры. Подвес изготовил из стержней двух разных металлов, что проиллюстрировано на изображении, взятом из издания Общества Ньюкомена (1946 год). По мере изменения температуры длина маятника остается постоянной. Период колебаний поддерживается с высокой точностью.

Джон Харрисон не останавливается на достигнутом, в палубных часах конструкции 1761 года применяет балансную пружину свернутой биметаллической ленты. По замыслу конструктора новшество скомпенсирует капризы климата. Теперь время позволит определить географические координаты вне зависимости от температуры. Идеи Дреббеля и Харрисона использовал в 1792 году Жан Симон Боннемейн, – сегодня называемый отцом централизованного снабжения горячей водой. Применял идеи терморегуляторов для курятников (1777 год). Историки отмечают любопытный факт: несмотря на знаменитость Жан остается личностью загадочной. Доподлинно неизвестен день рождения.

Инкубатор Боннемейна напоминает печь-буржуйку. Снизу цилиндрическая конструкция подогревается открытым пламенем, продукты сгорания обтекают стенки и уходят наружу. Температура контролируется биметаллической пластиной (из железа и латуни), погруженной в воды, заполняющую пространство меж стенок. Неудивительно, что в скором времени инженер придумал первую котельную. Температура пламени регулируется скоростью подачи воздуха в топку, биметаллический стержень управляет заслонкой. Последовали многие другие изобретения аналогичного толка.

В некоторой степени к тепловым реле можно отнести изобретение Джеймса Кьюли (интернет обошел внимание подробности жизни), датированное 1816 годом. В британском патенте №4086 упоминается некий балансный термометр. Весы, вага которых представлена трубкой с двумя утолщениями на концах. Поделена в центре двумя секциям, одна заполнена спиртом, другая – ртутью. При изменении температуры нарушается баланс, поскольку объёмы в утолщениях неравные. И нужно, подстраивая длины плеч винтом, добиться равновесия. Показания считываются с зубчатого лимба, жестко привязанного к трубке. Изобретатель отмечал возможность использования изобретения для контроля микроклимата зданий.

Эра электричества тепловых реле

Долгое время термостаты не находили применения в сфере электричества. Справедливости ради заметим, применялось преимущественно фабриками, цехами, питая двигатели. До появления электрических лампочек накала было далеко. Устройством, давшим зеленый свет применению тепловых реле, историки считают электромагнитный клапан регулирования тока жидкости трубы. Наработка заявлена патентом US355893 A, опубликованным 11 января 1887 года. Документ говорит: термостат (тип не указан) размещен в жилых помещениях, электромагнитный клапан позволит регулировать под его командованием скорость тока горячей воды системы отопления.

Тепловые реле - это электрические аппараты, предназначенные для защиты электродвигателей от токовой перегрузки. Наиболее распространенные типы тепловых реле - ТРП, ТРН, РТЛ и РТТ.

Принцип действия тепловых реле

Долговечность энергетического оборудования в значительной степени зависит от перегрузок, которым оно подвергается во время работы. Для любого объекта можно найти зависимость длительности протекания тока от его величины, при которых обеспечивается надежная и длительная . Эта зависимость представлена на рисунке (кривая 1).

При номинальном токе допустимая длительность его протекания равна бесконечности. Протекание тока, большего, чем номинальный, приводит к дополнительному повышению температуры и дополнительному старению изоляции. Поэтому чем больше перегрузка, тем кратковременнее она допустима. Кривая 1 на рисунке устанавливается исходя из требуемой продолжительности жизни оборудования. Чем короче его жизнь, тем большие перегрузки допустимы.

При идеальной защите объекта зависимость tср (I) для теплового реле должна идти немного ни-же кривой для объекта.

Для защиты от перегрузок, наиболее широкое распространение получили тепловые реле с .

Биметаллическая пластина теплового реле состоит из двух пластин, одна из которых имеет больший температурный коэффициент расширения, другая - меньший. В месте прилегания друг к другу пластины жестко скреплены либо за счет проката в горячем состоянии, либо за счет сварки. Если закрепить неподвижно такую пластину и нагреть, то произойдет изгиб пластины в сторону материала с меньшим. Именно это явление используется в тепловых реле.

Широкое распространение в тепловых реле получили материалы инвар (малое значение a) и немагнитная или хромоникелевая сталь (большое значение a).

Нагрев биметаллического элемента теплового реле может производиться за счет тепла, выделяемого в пластине током нагрузки. Очень часто нагрев биметалла производится от специального нагревателя, по которому протекает ток нагрузки. Лучшие характеристики получаются при комбинированном нагреве, когда пластина нагревается и за счет тепла, выделяемого током, проходящим через биметалл, и за счет тепла, выделяемого специальным нагревателем, также обтекаемым током нагрузки.

Прогибаясь, биметаллическая пластина своим свободным концом воздействует на контактную систему теплового реле.

Устройство теплового реле: а - чувствительный элемент, б - прыгающий контакт, 1 - контакты, 2 - пружина, 3 - биметаллическая пластина, 4 - кнопка, 5 - мостик

Время-токовые характеристики теплового реле

Основной характеристикой теплового реле является зависимость времени срабатывания от тока нагрузки (времятоковая характеристика). В общем случае до начала перегрузки через реле протекает ток Iо, который нагревает пластину до температуры qо.

При проверке времятоковых характеристик тепловых реле следует учитывать, из какого состояния (холодного или перегретого) происходит срабатывание реле.

При проверке тепловых реле надо иметь в виду, что нагревательные элементы тепловых реле термически неустойчивы при токах короткого замыкания.

Выбор тепловых реле

Номинальный ток теплового реле выбирают исходя из номинальной нагрузки электродвигателя. Выбранный ток теплового реле составляет (1,2 - 1,3) номинального значения тока электродвигателя (тока нагрузки), т. е.тепловое реле срабатывает при 20- 30% перегрузке в течении 20 минут.

Постоянная времени нагрева электродвигателя зависит от длительности токовой перегрузки. При кратковременной перегрузке в нагреве участвует только обмотка электродвигателя и постоянная нагрева 5 - 10 минут. При длительной перегрузке в нагреве участвует вся масса электродвигателя и постоянна нагрева 40-60 минут. Поэтому применение тепловых реле целесообразно лишь тогда, когда длительность включения больше 30 минут.

Нагрев биметаллической пластинки теплового реле зависит от температуры окружающей среды, поэтому с ростом температуры окружающей среды ток срабатывания реле уменьшается.

При температуре, сильно отличающейся от номинальной, необходимо либо проводить дополнительную (плавную) регулировку теплового реле, либо подбирать нагревательный элемент с учетом реальной температуры окружающей среды.

Для того чтобы температура окружающей среды меньше влияла на ток срабатывания теплового реле, необходимо, чтобы температура срабатывания выбиралась возможно больше.

Для правильной работы тепловой защиты реле желательно располагать в том же помещении, что и защищаемый объект. Нельзя располагать реле вблизи концентрированных источников тепла - нагревательных печей, систем отопления и т. д. В настоящее время выпускаются реле с температурной компенсацией (серии ТРН).

Конструкция тепловых реле

Прогиб биметаллической пластины происходит медленно. Если с пластиной непосредственно связать подвижный контакт, то малая скорость его движения, не сможет обеспечить гашение дуги, возникающей при отключении цепи. Поэтому пластина действует на контакт через ускоряющее устройство. Наиболее совершенным является «прыгающий» контакт.

В обесточенном состоянии пружина 1 создает момент относительно точки 0, замыкающий контакты 2. Биметаллическая пластина 3 при нагреве изгибается вправо, положение пружины изменяется. Она создает момент, размыкающий контакты 2 за время, обеспечивающее надежное гашение дуги. Современные контакторы и пускатели комплектуются с тепловыми реле ТРП (одно-фазное) и ТРН (двухфазное).

Тепловые токовые однополюсные реле серии ТРП с номинальными токами тепловых элементов от 1 до 600 А предназначены главным образом для защиты от недопустимых перегрузок трехфазных асинхронных электродвигателей, работающих от сети с номинальным напряжением до 500 В при частоте 50 и 60 Гц. Тепловые реле ТРП на токи до 150 А применяют в сетях постоянного тока с номинальным напряжением до 440 В.

Устройство теплового реле типа ТРП

Биметаллическая пластина теплового реле ТРП имеет комбинированную систему нагрева. Пластина нагревается как за счет нагревателя, так и за счет прохождения тока через саму пластину. При прогибе конец биметаллической пластины воздействует на прыгающий контактный мостик.

Тепловое реле ТРП позволяет иметь плавную регулировку тока срабатывания в пределах (±25% номинального тока уставки). Эта регулировка осуществляется ручкой, меняющей первоначальную деформацию пластины. Такая регулировка позволяет резко снизить число потребных вариантов нагревателя.

Возврат реле ТРП в исходное положение после срабатывания производится кнопкой. Возможно исполнение и с самовозвратом после остывания биметалла.

Высокая температура срабатывания (выше 200°С) уменьшает зависимость работы реле от температуры окружающей среды.

Уставка теплового реле ТРП меняется на 5% при изменении температуры окружающей среды на КУС.

Высокая ударо- и вибростойкость теплового реле ТРП позволяют использовать его в самых тяжелых условиях.

Тепловые реле РТЛ

Реле тепловое РТЛ предназначено для обеспечения защиты электродвигателей от токовых перегрузок недопустимой продолжительности. Они также обеспечивают защиту от не симметрии токов в фазах и от выпадения одной из фаз. Выпускаются электротепловые реле РТЛ с диапазоном тока от 0.1 до 86 А.

Тепловые реле РТЛ могут устанавливаться как непосредственно на пускатели ПМЛ, так и отдельно от пускателей (в последнем случае они должны быть снабжены клеммниками КРЛ). Разработаны и выпускаются реле РТЛ и клеммники КРЛ которые имеют степень защиты ІР20 и могут устанавливаться на стандартную рейку. Номинальный ток контактов равен 10 А.

Реле топловые РТТ предназначены для защиты трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором от перегрузок недопустимой продолжительности, в том числе возникающих при выпадении одной из фаз, а также от несимметрии в фазах.

Реле РТТ предназначены для применения в качестве комплектующих изделий в схемах управления электроприводами, а также для встройки в серии ПМА в целях переменного тока напряжением 660В частотой 50 или 60Гц, в целях постоянного тока напряжением 440В.